Котел тысячелистника - Yarrow boiler

Котлы Yarrow представляют собой важный класс водотрубных котлов высокого давления . Они были разработаны фирмой Yarrow & Co. (Лондон), Shipbuilders and Engineers и широко использовались на кораблях, особенно военных .

Конструкция котла Ярроу характерна для трехбарабанного котла : два ряда прямых водотрубов расположены в треугольный ряд с одной топкой между ними. Между ними вверху установлен один паровой барабан, а у основания каждого ряда - водяные барабаны меньшего размера. Циркуляция, как восходящая, так и нисходящая, происходит в пределах одного и того же ряда трубок. Отличительными чертами Yarrow были использование прямых труб, а также циркуляция в обоих направлениях, происходящая внутри группы труб, а не с использованием внешних водосточных труб.

Ранние водотрубные котлы

Раннее использование водотрубных котлов в Королевском флоте время от времени вызывало споры, что привело к « Битве котлов » примерно в 1900 году. Эти первые котлы, такие как Belleville и Niclausse , имели конструкции с большими трубами и простой прямой трубы диаметром около 4 дюймов, расположенные под небольшим углом к ​​горизонтали. Эти трубы были соединены в чугунные коллекторы и создавали большие проблемы с утечками в этих соединениях. В то время предполагалось, что тепловое расширение в этих прямых трубах напрягает Эти котлы также были большими, и, хотя они устанавливались на многие линкоры до дредноутов , они не могли быть установлены на малых торпедных катерах и первых эсминцах , находившихся в то время в активной разработке.

Чтобы обеспечить более легкий котел для небольших судов, были разработаны типы «Экспресс» . В них использовались водяные трубы меньшего размера диаметром около 2 дюймов, что давало большее отношение площади нагрева к объему (и весу). Большинство из них имели трехбарабанную схему , особенно конструкции Du Temple и Normand . вертикальное расположение водяных труб, что способствовало термосифонной циркуляции в этих узких трубках. Предыдущие проблемы расширения труб все еще оставались теоретическими, поэтому трубы были либо изогнуты, либо даже свернуты в шпильки и S-образные формы, чтобы увеличить нагрев. На практике эти формы породили еще две практические проблемы: трудность очистки труб, а также трудность создания надежного соединения с барабанами для воды, особенно там, где трубы входят в барабан под разными углами.

Водотрубный котел Ярроу

Альфред Ярроу разработал свой котел в ответ на другие, которые уже разработали водотрубные котлы . Это был длительный процесс, основанный на теоретических экспериментах, а не на эволюции практических котлов. Работы начались в 1877 году, а первый коммерческий котел был поставлен только 10 лет спустя, торпедный катер 1887 года.

Несмотря на столь долгую вынашивание, происхождение котла, по-видимому, было самым непосредственным. Записано, что первоначальный разговор Ярроу с Уильямом Крашем, главой отдела котлов, включал довольно прямой подход и заявления Ярроу: «Мы должны проснуться из-за водотрубных котлов», «Почему бы не такой котел?» (сложив пальцы вместе, как будто молясь), и "Прямые трубы?" уже выражены два из трех основных принципов конструкции котла.

Прямые трубы

Первые разработчики водотрубных систем были обеспокоены расширением труб котла при нагреве. Были предприняты усилия, чтобы позволить им свободно расширяться, в частности, чтобы те, что были ближе всего к печи, могли расширяться относительно больше, чем те, что дальше. Обычно это делалось путем расположения труб в виде больших петлей, как в котле Thornycroft . У них были трудности в производстве и требовалась поддержка в использовании.

Ярроу понял, что температура заполненной водой трубки поддерживалась относительно низкой и была одинаковой среди них, при условии, что они оставались заполненными водой, а внутри самих трубок не допускалось кипения. Высокие температуры и колебания возникали только тогда, когда трубы заполнялись паром, что также нарушало циркуляцию.

Таким образом, он пришел к выводу, что прямые водопроводные трубы приемлемы и имеют очевидные преимущества для изготовления и очистки в процессе эксплуатации.

Получить трубы, способные выдерживать возрастающее давление в котле, было сложно, и у большинства производителей уже были проблемы со сваркой труб. Менее очевидным преимуществом прямых труб было то, что они могли использовать недавно разработанные цельнотянутые трубы , которые сейчас производятся для производства велосипедов .

Циркуляционные эксперименты Ярроу

Уже было признано, что водотрубный котел основан на непрерывном потоке воды через водотрубы, и что это должно происходить за счет термосифонного эффекта, а не непрактично требовать насоса.

Нагретые водяные трубы представляли собой большое количество труб небольшого диаметра, установленных между большими барабанами: водяными барабанами внизу и паровыми барабанами вверху. Исследования Фэйрберна уже показали важность диаметра трубы и то, как трубы малого диаметра могут легко выдерживать гораздо более высокие давления, чем трубы большого диаметра. Барабаны могли выдерживать давление благодаря своей прочной конструкции. Установленные в них люки позволяли проводить регулярный внутренний осмотр.

Предполагалось, что поток по водяным трубам будет восходящим из-за их нагрева печью, а уравновешивающий нисходящий поток потребует внешних ненагреваемых сливных стаканов . В большинстве водотрубных конструкций это были несколько внешних труб большого диаметра от парового барабана к водяному барабану. Таким образом, эти трубы большого диаметра представляли собой проблему надежности из-за их жесткости и действующих на них сил.

Альфред Ярроу провел знаменитый эксперимент, в котором опроверг это предположение. Источники неясны, обнаружил ли он это во время эксперимента или провел эксперимент просто для демонстрации теории, которой он уже придерживался.

Вертикальная U-образная труба была устроена так, чтобы ее можно было нагревать с помощью ряда горелок Бунзена с каждой стороны. Простой расходомер указывал направление и приблизительную силу любого потока через резервуар в верхней части, соединяющей два рукава U.

Когда нагревалась только одна сторона U, в этом плече трубы ожидался восходящий поток нагретой воды.

Когда тепло также применялось к ненагретой руке, традиционная теория предсказывала, что циркуляционный поток замедлится или полностью прекратится. На практике поток действительно увеличился . При условии некоторой асимметрии нагрева эксперимент Ярроу показал, что циркуляция может продолжаться, а нагрев более холодного сливного стакана может даже увеличить этот поток.

Затем Ярроу повторил эксперимент, сначала с U-образной трубкой под небольшим углом к ​​горизонтали, а затем со всей системой под давлением. Результаты были такими же, циркуляция сохранилась.

Таким образом, котел Yarrow мог обходиться без отдельных внешних сливных труб. Течение шло полностью по нагретым водотрубам, вверх по ближайшим к топке и вниз по внешним рядам берега.

Описание

Производственный котел Yarrow имел простую и характерную конструкцию, которая впоследствии практически не изменилась. Три барабана были расположены треугольным строем: один большой паровой барабан вверху и два меньших водяных барабана внизу. Они были соединены прямыми водоводами в многорядный ряд с каждым водяным барабаном.

Печь располагалась в пространстве между рядами труб. Ранние котлы работали на угле вручную, позже на мазуте. Котел был заключен в герметичный кожух из стали, облицованный шамотным кирпичом. В торцевых стенах этого кожуха, облицованных кирпичом, размещались топочные дверцы или камни для масляных горелок, но не было поверхности нагрева. Дымоход от котла находился в центре верхней части кожуха, выхлопные газы проходили вокруг парового барабана. Чтобы уменьшить коррозию от дымовых газов над барабаном, его иногда заворачивали в простой дефлекторный кожух. Обычно нижняя часть водяных барабанов выставлялась за пределы кожуха, но выступали наружу только концы парового барабана. Уровень воды составлял около одной трети диаметра парового барабана, чего было достаточно, чтобы покрыть концы погруженных в воду водяных труб.

Вес котла приходился на водяные барабаны и, следовательно, на опоры топочной площадки. Паровой барабан поддерживался только водяными трубами и мог свободно перемещаться с тепловым расширением. В случае перегрева элементы пароперегревателя подвешивались к этому барабану. По сравнению с более ранними котлами Scotch и паровозными котлами водотрубные котлы с уменьшенным объемом воды считались легкими и не требовали обширных опор.

Дальнейшая эволюция дизайна

бочки с водой

Первые барабаны для воды Yarrow или «желоба» имели D-образную форму с плоской трубной пластиной, чтобы обеспечить легкое крепление труб. Трубная решетка крепилась болтами к желобу и могла быть разобрана для обслуживания и очистки труб.

Однако эта D-образная форма не идеальна для напорного барабана, так как давление имеет тенденцию деформировать его в более круглое сечение. Опыт взрывов котлов показал, что острые внутренние углы внутри котлов также подвержены эрозии путем образования канавок.

В более поздних котлах использовалось более округлое сечение, несмотря на сложность вставки и герметизации концов труб, когда они больше не были перпендикулярны. Эти более поздние барабаны имели люки на концах для доступа.

Спускники

Циркуляция в котле Ярроу зависела от разницы температур между внутренним и внешним трубными рядами батареи и, в частности, от скорости кипения. Хотя это легко поддерживать при низкой мощности, котел Ярроу с более высоким давлением будет иметь меньшую разницу температур и, следовательно, будет иметь менее эффективную циркуляцию. Этому эффекту можно противодействовать, предусмотрев внешние сливные трубы за пределами обогреваемой зоны дымохода.

Хотя большинству котлов Yarrow не требовались сливные трубы, некоторые из них были ими оснащены.

Двухконтурные котлы

Первый двухсторонний котел был построен в 1905 году для испанского правительства. Конструкция уже хорошо подходила для работы с обоих концов, и было обнаружено, что двусторонние котлы были немного более эффективными в использовании.

Верфь Ярроу всегда была ограничена в размерах кораблей, которые она могла строить. Многие из их котлов предназначались для более крупных военных кораблей, и Ярроу поставлял их в качестве компонентов на строительные площадки с более крупными стапелями.

пароперегреватели

Ранние котлы Ярроу не перегревались, но с появлением паровых турбин возникла потребность в более высоких температурах пара.

Асимметричные котлы

Пароперегреватель Ярроу состоял из труб-шпилек, параллельных существующим трубам парогенератора. Один ряд труб генератора был разделен на два с отдельными нижними водяными барабанами для них. В образованном между ними зазоре помещался пароперегреватель, причем оба конца его труб соединялись с единым коллекторным барабаном пароперегревателя, а внутренняя перегородка разделяла влажный и сухой пар.

Вторичным эффектом пароперегревателя было увеличение разницы температур между внутренней и внешней трубами банка, что способствовало циркуляции. Два водяных барабана часто соединялись неотапливаемыми сливными трубами, чтобы обеспечить поток воды между барабанами. Этот эффект позже был реализован в котле Адмиралтейства , где трубы батареи были изогнуты, чтобы оставить место для пароперегревателя, при сохранении единственного водяного барабана.

Контролируемый поток

Когда-либо устанавливался только один пароперегреватель только с одной стороны котла. Самые простые и маленькие котлы перенесли свой дымоход в эту сторону, пропуская все выхлопные газы через банку с пароперегревателем. Котел, ставший теперь асимметричным, мог пропускать все свои выхлопные газы через перегретую сторону в качестве однопоточного типа. Другой блок продолжал использоваться для чисто радиационного отопления, часто с меньшим количеством рядов труб.

В качестве альтернативы «двухпоточный» котел сохранял полный поток газа с обеих сторон, хотя только одна из них содержала пароперегреватель. Управляемая перегородка на неперегретой стороне может быть закрыта для увеличения потока через пароперегреватель. Эти котлы обычно включали дополнительные нагреватели питательной воды в восходящем потоке над этими перегородками.

Адмиралтейский трехбарабанный котел

Более поздней разработкой «Ярроу» стал трехбарабанный котел Адмиралтейства , разработанный для Королевского флота в период между войнами.

Это было в целом похоже на более поздние версии Yarrow, работающие под высоким давлением и работающие на жидком топливе. Водяные барабаны были цилиндрическими, и иногда, но не всегда, использовались сливные трубы. Единственная существенная разница заключалась в банках трубок. Вместо прямых трубок каждая трубка была в основном прямой, но изогнутой к концам. Они были установлены двумя группами внутри берега, так что они образовывали зазор между собой внутри берега. Внутри этого зазора размещались пароперегреватели . Преимущество размещения здесь пароперегревателей заключалось в том, что они увеличивали перепад температур между внутренней и внешней трубами банка, тем самым способствуя циркуляции.

Морское использование

HMS  Hornet  (1893 г.) — эсминец класса Havock . HMS  Havock  (1893 г.) , головной корабль этого класса, был построен с локомотивным котлом того времени , Hornet с котлом Yarrow для сравнения.

Первые котлы Yarrow предназначались для малых эсминцев и заполняли всю ширину корпуса. В первых классах использовались три котла, расположенные тандемно, каждый с отдельной воронкой . В более поздних комплектах, поставляемых для крупных кораблей, использовалось несколько котлов, и они часто группировались в комплекты по три, разделяя потребление.

Наземные котлы

В 1922 году Гарольд Ярроу решил использовать растущий бум производства электроэнергии в качестве рынка для Ярроу для строительства наземных котлов. Первые котлы на электростанции Данстон и в Брайтоне были одного и того же морского типа. Что касается их военно-морского успеха, они были признаны за то, что имели большую площадь лучистого нагрева и быстро поднимали пар.

Большие наземные турбины требовали высокой эффективности и повышенного перегрева , поэтому морская модель была изменена на характерный наземный котел Yarrow. Это стало асимметричным. Одно крыло было увеличено и принимало большую часть газового потока. Блоки внутренних труб остались и получали лучистое тепло от печи, но затем газы проходили через один из них, через блок пароперегревателя, а затем через дополнительный третий блок для увеличения отводимого тепла.

Также возросло рабочее давление. Начиная с рабочего давления 575 фунтов на квадратный дюйм в 1927 году, к 1929 году экспериментальный котел работал при давлении 1200 фунтов на квадратный дюйм.

Двигатель 10000

Только один котел «Ярроу» использовался в железнодорожном локомотиве, экспериментальном двигателе 10000 Найджела Гресли 1924 года для компании LNER . Увидев преимущества более высокого давления и компаундных двигателей в морской практике , Гресли захотел поэкспериментировать с этим подходом на железнодорожном локомотиве . Как и в случае с наземными котлами , Гарольд Ярроу стремился расширить рынок для котлов Ярроу.

Котел отличался от обычной конструкции Ярроу. В работе, особенно в его циркуляционных путях, котел имел больше общего с другими конструкциями с тремя барабанами, такими как Woolnough . Его также описывают как эволюцию водотрубной топки Brotan-Deffner , при этом топка расширена до размера всего котла.

использованная литература